PL174004B1

PL174004B1 - Method of coating the tool with an oxide layer and the tool with an oxide layer

Info

Publication number: PL174004B1
Application number: PL94302904A
Authority: PL
Inventors: Björn Ljungberg; Anders Lenander
Original assignee: Sandvik Ab
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1998-05-29
Also published as: PL302904A1

Abstract

2. Sposób powlekania narzędzia warstwą tlenku, korzystnie alfa-tlenkiem glinowym, zgodnie z którym narzędzie styka się z wodorowym gazem nośnym, zawierającym jeden lub kilka halogenków glinu i hydrolizujący oraz utleniający czynnik przy wysokiej temperaturze, znamienne tym, że wodorowy gaz nośny doprowadza się do stanu, w którym utleniający potencjał wodorowego gazu nośnego jest mniejszy niż 20 części na milion, a najkorzystniej mniej niż 8 części na milion H2O przed nukleacją ALO3, przy czym nukleację AkO3 rozpoczyna się przy ustaleniu kolejności gazów substratu reakcji w następującym porządku: CO2, CO i AkCk oraz, że temperatura podczas nukleacji jest rzędu 1000°C.2. A method of coating a tool with an oxide layer, preferably alpha-alumina, wherein the tool is contacted with a hydrogen carrier gas containing one or more aluminum halides and a hydrolyzing and oxidizing agent at a high temperature, characterized in that the hydrogen carrier gas is brought to a state in which the oxidizing potential of the hydrogen carrier gas is less than 20 parts per million, and most preferably less than 8 parts per million H2O, prior to nucleation of the ALO3, wherein the nucleation of AkO3 is initiated by establishing the sequence of the reactant gases in the following order: CO2, CO and AkCk, and wherein the temperature during nucleation is of the order of 1000°C.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób powlekania narzędzia warstwą tlenku oraz narzędzie powleczone warstwą tlenku, zwłaszcza do kształtowania wióra w obróbce wiórowej.The subject of the invention is a method of coating a tool with an oxide layer and a tool coated with an oxide layer, especially for shaping a chip in machining.

Osadzanie chemiczne warstw z fazy gazowej (CVD lub Chemical Vapour Deposition) tlenku glinowego lub korundu już od ponad 15 lat stanowi przemysłową metodę powlekania noży do obróbki skrawaniem. Własności ścieralne AbO3 i innych materiałów ogniotrwałych omawia się wszechstronnie w literaturze przedmiotu.Chemical vapor deposition (CVD) of aluminum oxide or corundum has been an industrial method for coating cutting tools for over 15 years. The abrasion properties of AbO3 and other refractory materials are discussed extensively in the literature.

174 004174 004

Metoda osadzania chemicznego z fazy gazowej (CVD) była też wykorzystywana do powlekania innych tlenków metali, węglików i azotków, przy czym wybiera się metal z pierwiastków przejściowych grup IVB, VB oraz VIB układu okresowego pierwiastków. Liczne takie związki chemiczne znalazły zastosowanie, jako powłoki ochronne na ścieranie, lecz tylko niewiele z nich zwróciło na siebie taką uwagę, jak TiC, TiN i Al₂O3.Chemical vapor deposition (CVD) has also been used to coat other metal oxides, carbides, and nitrides, with metals selected from transition elements in groups IVB, VB, and VIB of the periodic table. Many of these compounds have found applications as abrasion-resistant coatings, but few have attracted as much attention as TiC, TiN, and Al ₂ O 3 .

Noże z węglików spiekanych, powlekane różnymi odmianami powłok AI2O3, np. czystym K-Al₂O3, mieszaninami K-AMO oraz 0-AI2O3 i bardzo gruboziarnistego o-Al₂O3, są od dawna na rynku. Żaden z tych wyrobów powleczonych tlenkiem nie wykazał odpowiednich własności tnących, gdy był stosowany do obróbki żeliwa sferoidalnego. Żeliwo sferoidalne jest materiałem trudnym do obrabiania skrawaniem, bo przylega do ostrza noża, przy czym doprowadza do stopniowego i szybkiego usuwania powłoki z tego ostrza, wobec czego następuje zmniejszenie trwałości wkładki tnącej.Carbide knives coated with various types of Al2O3 coatings, such as pure K- _Al2O3 , K-AMO and O-Al2O3 mixtures, and very coarse-grained O- _Al2O3 , have been on the market for a long time. None of these oxide-coated products have demonstrated adequate cutting properties when used on ductile cast iron. Ductile cast iron is a difficult material to machine because it adheres to the knife blade, leading to gradual and rapid removal of the coating from the blade, thus reducing the durability of the cutting insert.

AbCO krystalizuje w postaci kilku różnych faz, a mianowicie: a, K, γ, β i tak dalej. W metodzie osadzania chemicznego z fazy gazowej (CVD) dwiema najczęściej występującymi fazami powłok Al2O3, odpornych na ścieranie, są termodynamicznie stabilna heksagonalna faza α i metastabilna faza K. Zwykle, faza K jest drobnoziarnista o rozmiarze ziaren od 0,5 gm do 2,0 pm i często ma słupkową morfologię powłoki. Ponadto, powłoki K -AbO.i nie mają żadnych defektów krystalograficznych, jak również nie występują żadne pustki lub mikroporowatość.AbCO crystallizes as several different phases, namely α, K, γ, β, and so on. In chemical vapor deposition (CVD), the two most common phases found in abrasion-resistant Al2O3 coatings are the thermodynamically stable hexagonal α phase and the metastable K phase. Typically, the K phase is fine-grained with grain sizes ranging from 0.5 gm to 2.0 μm and often has a columnar coating morphology. Furthermore, K-AbO.i coatings have no crystallographic defects, and no voids or microporosity are present.

Ziarna a-Al2O3 są zwykle większe od 1 pm do 6 pm, zależnie od warunków osadzenia. Porowatość i defekty krystalograficzne są w tym wypadku częstsze.a-Al2O3 grains are typically 1 to 6 µm in size, depending on deposition conditions. Porosity and crystallographic defects are more common in this case.

Często występują obydwie fazy a i K w powłoce tlenku glinowego, uzyskanego metodą osadzania chemicznego z fazy gazowej (CVD), gdy osadzanie dokonuje się na nożu do obróbki wiórowej. W tych nożach, nakłada się ALO3 na podłożach ceramicznych lub węglikowych powleczonych warstewką TiC tak np. jak przedstawiono w amerykańskim patencie Nr 3 837 896, obecnie ponowienie publikacji amerykańskiego patentu Nr 29 420 i dlatego chemiczne reakcje międzypowierzchniowe między powierzchnią TiC a powłoką tlenku glinowego mają szczególnie istotne znaczenie. W tym kontekście, warstwa TiC powinna być pojmowana w ten sposób, że zawiera warstwy według wzoru TiC_xN_yO_z, w którym węgiel warstwy TiC jest częściowo lub całkowicie podstawiony tlenem i/lub azotem.Both a and K phases are often present in alumina coatings obtained by chemical vapor deposition (CVD) when the deposition is performed on a cutting tool. In these tools, ALO3 is deposited on ceramic or carbide substrates coated with a TiC layer, as, for example, shown in U.S. Patent No. 3,837,896, now a republication of U.S. Patent No. 29,420, and therefore the chemical interfacial reactions between the TiC surface and the alumina coating are of particular importance. In this context, a TiC layer should be understood to comprise layers of the formula TiC _x N _y O _z , in which the carbon of the TiC layer is partially or completely substituted with oxygen and/or nitrogen.

Praktyka powlekania noży węglikowych tlenkami, aby dodatkowo zwiększać odporność na ścieranie sama w sobie jest znana z ponownej publikacji amerykańskiego patentu Nr 29 420 oraz amerykańskich patentów 4 399 168, 4 018 631 4 490 191 oraz 4 463 033.The practice of coating carbide knives with oxides to further increase abrasion resistance is itself known from the re-issue of U.S. Patent No. 29,420 and U.S. Patents 4,399,168, 4,018,631, 4,490,191, and 4,463,033.

Patenty te omawiają korpusy powleczone tlenkiem, jak również to, iż różne wstępne czynności obrabiania, np. wstępna obróbka węglika o powłoce TiC, zwiększają przyczepność warstwy tlenku, która jest następnie osadzana. Mimo, że opisane sposoby umożliwiają dokładne i przyczepnie wykonane wiązania warstw tlenku glinu do korpusu weglikowego lub do warstwy materiału ogniotrwałego, na przykład TiC obok węglika spiekanego, nie doprowadzają one w wyniku do szczególnego α-polimorfu Al₂O3, takiego jak opisuje się w niniejszym wynalazku.These patents discuss oxide-coated bodies, and also that various pretreatment steps, e.g., pretreatment of the carbide with a TiC coating, enhance the adhesion of the oxide layer that is subsequently deposited. Although the described methods enable precise and adhesive bonding of alumina layers to a carbide body or to a refractory layer, e.g., TiC next to the cemented carbide, they do not result in the specific α-polymorph of _Al2O3 as described in the present invention.

Korpusy powlekane tlenkiem glinu są dodatkowo przedstawiane w amerykańskim patencie Nr 3 736 107 i europejskim patencie Nr 0 403 461 oraz N 0 408 535, w których warstwy AJ2O3 zawierają kombinacje faz α, K lub α/K. Patenty te nie opisują jednak potrzebnej mikrostruktury i tekstury krystalograficznej a-polimorfu, który jest przedmiotem wynalazku.Alumina coated bodies are additionally disclosed in U.S. Patent No. 3,736,107 and European Patent No. 0,403,461 and N 0,408,535, in which the AJ2O3 layers comprise combinations of α, K or α/K phases. However, these patents do not describe the necessary microstructure and crystallographic texture of the α-polymorph that is the subject of the invention.

Sposób powlekania narzędzia warstwą tlenku, korzystnie alfa-tlenkiem glinowym, zgodnie z którym narzędzie styka się z wodorowym gazem nośnym, zawierającym jeden lub kilka halogenków glinu i hydrolizujący oraz utleniający czynnik przy wysokiej temperaturze według wynalazku charakteryzuje się tym, że wodorowy gaz nośny doprowadza się do stanu, w którym utleniający potencjał wodorowego gazu nośnego jest mniejszy niż 20 części na milion, a najkorzystniej mniej niż 5 części na milion H2O przed nukleacją ALO3, przy czym nukleację M2O3 rozpoczyna się przy ustaleniu kolejności gazów substratu reakcji w następującym porządku: CO2, CO i AlCl3 oraz, że temperatura podczas nukleacji jest rzędu 1000°C.A method of coating a tool with an oxide layer, preferably alpha-alumina, wherein the tool is contacted with a hydrogen carrier gas containing one or more aluminum halides and a hydrolyzing and oxidizing agent at a high temperature according to the invention is characterized in that the hydrogen carrier gas is brought to a state in which the oxidizing potential of the hydrogen carrier gas is less than 20 parts per million, and most preferably less than 5 parts per million H2O before nucleation of ALO3, wherein the nucleation of M2O3 is initiated by establishing the sequence of the reactant gases in the following order: CO2, CO and AlCl3, and that the temperature during nucleation is of the order of 1000°C.

Przedmiotem wynalazku jest również narzędzie powleczone warstwą tlenku, przy czym jest ono pokryte co najmniej częściowo i jest jedna lub więcej powłok ogniotrwałych, z których jedną co najmniej' powłoką jest tlenek glinowy charakteryzuje się tym, że warstwa tlenkuThe invention also relates to a tool coated with an oxide layer, wherein the tool is at least partially coated with one or more refractory coatings, at least one of which is alumina, and wherein the oxide layer is at least partially coated with one or more refractory coatings, at least one of which is alumina.

174 004 glinowego ma grubość od 0,5 gm do 25 gm i składa się z jednofazowej struktury α o wielkości ziarna: 0,5 gm < s < 1 gm dla 0,5 gm < d < 2,5 gm oraz 0,5 gm < s < 3 gm dla 2,5 gm < d < 25 gm.174,004 alumina has a thickness of 0.5 gm to 25 gm and consists of a single-phase α structure with a grain size of: 0.5 gm < s < 1 gm for 0.5 gm < d < 2.5 gm and 0.5 gm < s < 3 gm for 2.5 gm < d < 25 gm.

Korzystne jest, że chropowatość powierzchni powłoki ogniotrwałej jest mniejsza niż 0,3 gm na mierzonej długości równej 0,25 gm.It is preferred that the surface roughness of the refractory coating is less than 0.3 gm over a measured length of 0.25 gm.

Korzystne jest także, że warstwa tlenku glinowego ma współczynnik tekstury większy niżIt is also advantageous that the alumina layer has a texture factor greater than

1,3 a korzystnie większy niż 1,5 dla kierunku wzrostu (012) równoważnych płaszczyzn krystalograficznych, określany ze wzoru:1.3 and preferably greater than 1.5 for the growth direction (012) of equivalent crystallographic planes, determined by the formula:

TC (012) =TC (012) =

I (012) 1 I (hkl) ]I (012) 1 I (hkl) ]

Io(O12) n Io(hkl)f gdzie: ((hkl) = mierzone natężenie odbicia (hkl);Io(O12) n Io(hkl)f where: ((hkl) = measured reflection intensity (hkl);

Io(hkl) = znormalizowane natężenie danych dyfrakcji proszku znormalizowanego zgodnie z normą Amerykańskiego Stowarzyszenia dla Badań i Materiałów (ASTM);Io(hkl) = normalized intensity of powder diffraction data standardized according to the American Society for Testing and Materials (ASTM) standard;

n = liczba odbić wykorzystana w obliczeniach, odbicia(hkl) stanowią (012), (104), (110), (113), (024), (116).n = number of reflections used in the calculation, reflections (hkl) are (012), (104), (110), (113), (024), (116).

Korzystne jest również, że warstwa tlenku glinowego jest warstwą zewnętrzną oraz, że warstwa tlenku glinowego styka się z warstwą TiC_xN_yO_z.It is also preferred that the alumina layer is the outer layer and that the alumina layer is in contact with the TiC _x N _y O _z layer.

Korzystne jest ponadto, że warstwa TiC_xN_yOz jest najgłębszą warstwą powłoki.It is further advantageous that the TiC _x N _y Oz layer is the deepest layer of the coating.

Korzystne jest, że narzędzie stanowi wkładkę narzędzia skrawającego z węglika spiekanego, węglikoazotku na podstawie tytanu korzystnie z ceramiki.It is advantageous that the tool is a cutting tool insert made of cemented carbide, titanium-based carbonitride, preferably ceramic.

Przedmiot wynalazku w postaci naniesionej przykładowej powłoki uwidoczniony został na rysunku, na którym przedstawiono mikrografię skaningowego mikroskopu elektronowego w widoku z góry o powiększeniu 2000x typowej powłoki ΑΗΟβ.The subject of the invention in the form of an applied exemplary coating is shown in the drawing, which shows a scanning electron microscope micrograph in a top view with a magnification of 2000x of a typical AOHβ coating.

Nóż według wynalazku ma korpus z twardego stopu, na który osadza się powłokę odporną na ścieranie. Powłoka zawierajedną lub kilka warstw ogniotrwałych, z których co najmniej jedna warstwa jest gęstą, drobnoziarnistą i korzystnie teksturową warstwą AI2O3 polimorfu α.The knife according to the invention has a hard alloy body onto which an abrasion-resistant coating is deposited. The coating comprises one or more refractory layers, at least one of which is a dense, fine-grained, and preferably textured layer of Al2O3 of the α polymorph.

Powlekany nóż według wynalazku ma dobre właściwości wiązkości i ścierania w porównaniu do znanych narzędzi tnących, gdy jest on zastosowany do obróbki stali lub żeliwa, zwłaszcza gdy jego powierzchnia została dodatkowo wygładzona za pomocą wygłaszania strumieniowo-ściernego.The coated knife according to the invention has good toughness and abrasion properties compared to known cutting tools when used for machining steel or cast iron, especially when its surface has been additionally smoothed by abrasive blasting.

Powlekane narzędzie zawiera podłoże spiekanego korpusu węglika, cementu, tj. spieku ceramiczno-metalowego lub korpusu ceramicznego, korzystnie co najmniej z jednometalowego węglika w fazie spoiwa metalu. Indywidualne warstwy w strukturze powłoki mogą mieć TiC lub pokrewny węglik, azotek, węglikoazotek, tlenowęglik i tlenkowęglikoazotek metalu, wybieranego z grupy obejmującej metale grup IVB, VB i VIB układu okresowego pierwiastków B, Al i Si oraz/lub/ ich mieszanin. Co najmniej jedna ze wspomnianych warstw styka się z podłożem. Co najmniej jednak jedna z warstw w strukturze powłoki zawiera drobnoziarnistą, korzystnie teksturowaną warstwę pojedynczej warstwy fazowej α,-Α^Θβ o grubości d= od 0,5 gm do 25 gm i rozmiarze ziaren (s) odpowiednioThe coated tool comprises a substrate of a sintered carbide body, cement, i.e., a cermet-metal sinter or ceramic body, preferably of at least a monometallic carbide in a metal binder phase. The individual layers in the coating structure may comprise TiC or a related carbide, nitride, carbonitride, oxycarbide and oxycarbonitride of a metal selected from the group consisting of metals of groups IVB, VB and VIB of the periodic table of elements B, Al and Si and/or mixtures thereof. At least one of said layers is in contact with the substrate. However, at least one of the layers in the coating structure comprises a fine-grained, preferably textured layer of a single α,-Α^Θβ phase layer having a thickness d= from 0.5 gm to 25 gm and a grain size (s) of, respectively

0,5 gm < s < 1 gm dla 0,5 gm < d < 2,5 gm oraz0.5 gm < s < 1 gm for 0.5 gm < d < 2.5 gm and

0,5 gm < 3 gm dla 2,5 gm < d < 25 gm.0.5 gm < 3 gm for 2.5 gm < d < 25 gm.

Drobnoziarnista mikrostruktura zawiera wąski rozkład granulometryczny. Najczęściej 80% ziaren ΑΙ2Θ3 ma wielkość ziarna ± 50% średniej wielkości ziaren.The fine-grained microstructure has a narrow granulometric distribution. Typically, 80% of the AI2Θ3 grains have a grain size of ±50% of the average grain size.

Wielkość ziarna powłoki AhO3 określa się za pomocą mikrografii w widoku z góry w powiększeniu 5000x, uzyskanej skaningowym mikroskopem elektronowym. Za pomocą kreślenia trzech linii prostych w dowolnych kierunkach, średnie odległości między granicami ziarna wzdłuż tych linii przyjmuje się za miarę wielkości ziarna.The grain size of the AhO3 coating is determined using a top-view micrograph at 5000x magnification, obtained with a scanning electron microscope. By drawing three straight lines in arbitrary directions, the average distances between grain boundaries along these lines are taken as a measure of grain size.

Warstwa ΑΙ2Θ3 według wynalazku ma korzystne ukierunkowanie wzrostu kryształu w kierunku (012), co wyznacza się pomiarami dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD). Współczynnik tekstury TC można określać następująco:The AI2Θ3 layer of the invention has a preferred crystal growth orientation in the (012) direction, as determined by X-ray diffraction (XRD) measurements. The texture factor TC can be determined as follows:

174 004174 004

TC (012) = ·TC (012) = ·

I(012)I(012)

Io(O12)Io(O12)

1(012) 1 _ n Io(hkl)[ gdzie: I(hkl) = mierzone natężenie odbicia (hkl);1(012) 1 _ n Io(hkl)[ where: I(hkl) = measured reflection intensity (hkl);

Io(hkl) = standardowe natężenie danych dyfrakcji obrazu proszku znormalizowanego zgodnie z normą Amerykańskiego Stowarzyszenia dla Badań i Materiałów (ASTM);Io(hkl) = standard intensity of powder diffraction image data normalized according to the American Society for Testing and Materials (ASTM) standard;

n = liczba odbić wykorzystana w obliczeniach, odbicia(hkl) są następujące: (012), (104), (110), (113), (024), (116).n = number of reflections used in the calculation, reflections(hkl) are as follows: (012), (104), (110), (113), (024), (116).

Według wynalazku, TC dla kompletu płaszczyzny kryształu (012) jest większy niż 1,3, a korzystnie większy niż 1,5.According to the invention, the TC for the complete (012) crystal plane is greater than 1.3 and preferably greater than 1.5.

Powleczony korpus według wynalazku wyróżnia się dodatkowo tym, że ma chropowatość powierzchni (Ra) powłoki ogniotrwałej mniejszą niż 0,3 gm na mierzonej długości 0,25 mm. Korzystnie, warstwą zewnętrzną jest warstwa AkO}.The coated body according to the invention is further distinguished by having a surface roughness (Ra) of the refractory coating of less than 0.3 gm over a measured length of 0.25 mm. Preferably, the outer layer is an AkO layer.

Teksturowaną powłokę AI2O3 według wynalazku otrzymuje się przez staranną kontrolę potencjału utleniającego wodorowego gazu nośnego, korzystnie mniej niż 20 części na milion, lecz najkorzystniej mniej niż 5 części na milion H2O, przed nukleacją AI2O3. Nukleacja AI2O3 rozpoczyna się przy utrzymaniu kolejności gazów substratu reakcji w porządku następującym: CO2, CO i AICI3. Korzystnie temperatura ma w przybliżeniu wartość 1000°C podczas nukleacji. Jednak dokładne warunki uzależnia się w pewnym stopniu od budowy urządzeń, które zastosowano. Wykwalifikowany rzemieślnik określa zgodnie ze swoim zasięgiem widzenia to, czy otrzymano konieczną teksturę i koryguje warunki osadzania według obecnych danych technicznych, gdy to potrzebne, aby powodować stopień tekstury.The textured Al2O3 coating of the invention is obtained by carefully controlling the oxidizing potential of the hydrogen carrier gas, preferably less than 20 parts per million, but most preferably less than 5 parts per million H2O, prior to nucleation of the Al2O3. Nucleation of the Al2O3 is initiated by maintaining the sequence of the reactant gases in the following order: CO2, CO, and AlCl3. Preferably, the temperature is approximately 1000°C during nucleation. However, the exact conditions depend to some extent on the design of the equipment used. A skilled craftsman will determine, within his own scope of vision, whether the necessary texture has been obtained and will correct the deposition conditions according to the current specifications as necessary to produce the desired texture.

Powłoki a-Al2O3 według wynalazku są gęste, bez mikroporowatości i bez zaburzeń lub defektów krystalograficznych. Odróżnia się to od treści poprzednich sprawozdań, dotyczących powłoki α-AI2O3.The a-Al2O3 coatings of the invention are dense, without microporosity, and without crystallographic disturbances or defects. This differs from the content of previous reports regarding α-Al2O3 coatings.

Przykład la. Tnące lub skrawające wkładki węglika spiekanego o składzie 5,5% Co, 8,5% węglików regularnych oraz WC - pozostałą ilość pokryto warstwą TiCN o grubości 5 gm. W następnych czynnościach procesu i w tym samym cyklu powlekania osadzano warstwę 0-AI2O3 o grubości 7 gm, drobnoziarnistą o wielkości ziaren od 1 gm do 2 gm. Potencjał utleniający wodorowego gazu nośnego, tj. stężenie pary wodnej, wyraźnie nastawiono na stosunkowo niski poziom wynoszący 10 części na milion przed i podczas nukleacji AI2O3. Jest to też opisane w amerykańskim patencie Nr 5 071 696.Example 1a. Cemented carbide cutting or machining inserts composed of 5.5% Co, 8.5% cubic carbides, and WC, the remainder being coated with a 5 gm thick TiCN layer. In the next process steps and in the same coating cycle, a 7 gm thick, fine-grained 0-Al2O3 layer with a grain size of 1 gm to 2 gm was deposited. The oxidation potential of the hydrogen carrier gas, i.e., the water vapor concentration, was explicitly set to a relatively low level of 10 parts per million before and during nucleation of the Al2O3. This is also described in U.S. Patent No. 5,071,696.

Dodawano kolejno gazową mieszaninę reakcji, zawierającą CO2, CO i AICI3 do wodorowego gazu nośnego w danym porządku. Mieszaniny gazowe i inne warunki procesu podczas czynności osadzania AI2O3 obejmowały:A reaction gas mixture containing CO2, CO, and AlCl3 was added sequentially to the hydrogen carrier gas in a given order. The gas mixtures and other process conditions during the Al2O3 deposition operation included:

1. 1. 2. 2. CO2 CO2 4% 4% CO2 CO2 4% 4% A1C13 A1C13 4% 4% AICI3 AICI3 4% 4% CO WHAT 2% 2% H2S H2S 0,2% 0.2% H2 H2 pozostała ilość remaining amount H2 H2 pozostała ilośti remaining quantity Ciśnienie procesu:Process pressure: 65 milibarów 65 millibars Ciśnienie procesuProcess pressure 65 milibarów 65 millibars TemperaturaTemperature 1000°C 1000°C TemperaturaTemperature 1030°C 1030°C Czas Time 1 godzina 1 hour Czas Time 5,5 godzin5.5 hours

Dyfrakcyjna analiza rentgenowska (XRD) pokazała, że współczynnik tekstury TC (012) jest równy 2,1 płaszczyzny (012) w pojedynczej fazie α powłoki AI2O3. Powłoka AI2O3 miała chropowatość powierzchni równą 0,2 gm na długości równej 0,25 mm.X-ray diffraction (XRD) analysis showed that the TC (012) texture factor was equal to 2.1 of the (012) plane in the single α-phase Al2O3 coating. The Al2O3 coating had a surface roughness of 0.2 gm over a length of 0.25 mm.

Przykład 1b. Podłoże węglika z przykładu 1a zostało powleczone warstwą TiCN równą 5 gm i AI2O3 równą 7 gm, tak jak podano w przykładzie 1a z wyjątkiem, że proces AI2O3 wykonywano znanym sposobe,, co doprowadziło do otrzymania mieszaniny grubych ziaren a-Al2O3 i drobnych K-AI2O3 w tej powłoce.Example 1b. The carbide substrate of Example 1a was coated with a 5 gm TiCN and 7 gm Al2O3 layer as in Example 1a except that the Al2O3 process was performed by a known method, resulting in a mixture of coarse a-Al2O3 and fine K-Al2O3 grains in the coating.

174 004174 004

Przykład 1c. Wkładki narzędziowe z tej samej kompozycji podłoża i powłoki i grubości powłoki, jak w przykładzie 1a, z wyjątkiem tego, że powłoka AkO3 zawiera pojedynczą fazę polimorfu K uzyskaną znanym sposobem.Example 1c. Tool inserts with the same substrate and coating composition and coating thickness as in Example 1a, except that the AkO3 coating comprises a single K polymorph phase obtained by a known method.

Powleczone wkładki narzędziowe z przykładów 1a, 1b i 1c były wygładzane sposobem strumieniowo-ściemym za pomocą proszku Al₂O3, numer sita 150, tj. 150 oczek sita na jeden cel długości, aby powierzchnia powłoki została wygładzona.The coated tool inserts of Examples 1a, 1b and 1c were shot-blasted smooth with Al ₂ O 3 powder, mesh number 150, i.e. 150 sieve holes per length, to smooth the coating surface.

Następnie poddano wkładki skrawające badaniu odnośnie do łuszczenia linii ostrza i powierzchni czołowej natarcia przy obróbce powierzchni czołowych w żeliwie sferoidalnym, odpowiadającemu normom AISI60-4-18 lub DIN GGG40. Kształt obrabianego przedmiotu był taki, aby linia skrawania dwukrotnie była przerywana podczas każdego obrotu.The cutting inserts were then tested for flaking of the cutting edge and rake face when facing ductile cast iron, meeting AISI60-4-18 or DIN GGG40 standards, was machined. The workpiece shape was such that the cutting edge was interrupted twice during each rotation.

Dane skrawania: prędkość 150 m/min, głębokość skrawania 2,0 mm oraz posuw równy 0,1 mm na jeden obrót.Cutting data: speed 150 m/min, depth of cut 2.0 mm and feed rate of 0.1 mm per revolution.

Przesuwano wkładki jednym przecięciem na czołowej powierzchni przedmiotu obrabianego.The inserts were moved with one cut on the front surface of the workpiece.

Podaje się wyniku w tabeli niżej, jako procent łuszczenia linii ostrza w przecięciu, które miało łuszczenie, oraz obszaru czołowej powierzchni natarcia, poddanej łuszczeniu odnośnie do całkowitego obszaru styku między czołem natarcia a wiórem przedmiotu obrabianego.The results are reported in the table below as the percentage of the flaking of the cutting edge line in the cut that has flaked and the area of the rake face that has been subjected to flaking relative to the total contact area between the rake face and the workpiece chip.

Łuszczenie, %Flaking, % Linia ostrzaBlade Line Czoło natarcia The Front of the Attack 1. a-Al₂03 według wynalazku teksturowany, jednofazowy 1. a-Al ₂ 03 according to the invention, textured, single-phase 0 0 0 0 1b. a/K-Al₂O3 1b. a/K-Al ₂ O3 40 40 5 5 1c. K-Al2O3 1c. K-Al2O3 15 15 45 45

Przykład 2. Powleczone wkładki z przykładu 1 a zostały zbadane w operacji skrawania, obejmującej zewnętrzną obróbkę zgrubną z przerywanymi przejściami skrawania. Próbę wykonano u końcowego użytkownika noży skrawających, a obrabiana część była piastą różnicową z żeliwa sferoidalnego, odpowiadającego normom AISI 60-40-18 lub DIN GGG 40.Example 2. The coated inserts of Example 1a were tested in a machining operation involving external roughing with interrupted cutting passes. The test was performed at the end user of the cutting tools, and the part being machined was a differential hub made of ductile iron conforming to AISI 60-40-18 or DIN GGG 40 standards.

Dane skrawania: prędkość od 270 do 290 m/min, głębokość skrawania 2 mm oraz posuw od 0,4 do 0,55 mm na obrót.Cutting data: speed from 270 to 290 m/min, depth of cut 2 mm and feed from 0.4 to 0.55 mm per revolution.

Sprzedawany nóż węglikowy o identycznej kompozycji węglikowej, jak w przykładzie 1a, dodatkowo zawiera powłokę z 2 gm TIC i 8 gm AkO3, zastosowano w celu porównywania przy próbie skrawania. Osadzono warstwę AI2O3 znanym sposobem, przy czym w wyniku otrzymano mieszaninę grubych ziaren a-Al₂O3 i drobnych ziaren K-AłjO;} w tej powłoce.A commercially available carbide knife with the same carbide composition as in Example 1a, additionally containing a coating of 2 gm TIC and 8 gm AkO3, was used for comparison purposes during the cutting test. An Al2O3 layer was deposited by a known method, resulting in a mixture of coarse a- _Al2O3 grains and fine K-Al2O3 grains in the coating.

Wspomniana wkładka narzędziowa jest często stosowana w obróbce wiórowej żeliwa sferoidalnego.The mentioned tool insert is often used in the machining of ductile cast iron.

Wszystkie wkładki zastosowane w powyższej próbie obróbki skrawaniem frezu różnicowego były wygładzane sposobem strumieniowo-ściemym za pomocą proszku AW3, numer sita 150.All inserts used in the above differential milling cutter machining test were shot-blasted using AW3 powder, mesh number 150.

Po obróbce 20 elementów, handlowa wkładka narzędziowa o powłoce α/K miała nadmierne łuszczenie przy utracie powłoki na ponad 70% linii ostrza przy frezowaniu. Powleczone wkładki z przykładu 1a według wynalazku obrabiały 40 elementów przy mniej niż 10%> linii ostrza przy frezowaniu, mających łuszczenie.After machining 20 components, the commercial α/K coated tool insert had excessive flaking with coating loss on more than 70% of the milling cutting edge lines. The inventive coated inserts of Example 1a machined 40 components with less than 10% of the milling cutting edge lines having flaking.

Przykład 3a. Wkładki z węglików spiekanych o składzie 6,5% Co, 8,8% węglików regularnych i WC równowagi pokryto, tak jak opisano w przykładzie la. Otrzymano drobnoziarnistą, gęstą powłokę a-AhO3 teksturowaną w kierunku (012).Example 3a. Cemented carbide inserts with the composition of 6.5% Co, 8.8% cubic carbides and WC balance were coated as described in Example 1a. A fine-grained, dense a-AhO3 coating textured in the (012) direction was obtained.

Przykład 3b. Podłoże węglikowe z przykładu 3a otrzymało powłokę,, tak jak w przykładzie 1b. Otrzymano powłokę tlenku glinu, zawierającą mieszaninę grubych ziaren K-Al₂O3.Example 3b. The carbide substrate from Example 3a was coated as in Example 1b. An aluminum oxide coating containing a mixture of coarse K- _Al2O3 grains was obtained.

174 004174 004

Powleczone wkładki narzędziowe z przykładów 3a i 3b były wygładzane sposobem strumieniowo-ściemym za pomocą proszku AbO3, numer sita 150, aby wygładzić powierzchnię powłoki.The coated tool inserts of Examples 3a and 3b were shot-blasted using 150 mesh AbO3 powder to smooth the coating surface.

Następnie badano te wkładki skrawające odnośnie do łuszczenia linii ostrza przy operacji toczenia poprzecznego w stali stopowej, odpowiadającej normie AISI 1518, W-no. 1 0580. Kształt przedmiotu obrabianego był taki, że linia skrawaniajest przerywana trzykrotnie najeden obrót.These cutting inserts were then tested for edge line flaking in a face turning operation in alloy steel conforming to AISI 1518, W-no. 1 0580. The workpiece shape was such that the edge line was interrupted three times per revolution.

Dane skrawania: prędkość od 130 do 220 m/min, głębokość skrawania 2 mm oraz posuw 0,2 mm na jeden obrót. Wkładki przesuwano jednym skrawaniem po powierzchni przedmiotu obrabianego.Cutting data: speed from 130 to 220 m/min, depth of cut 2 mm, and feed rate 0.2 mm per revolution. The inserts were moved in a single cut across the workpiece surface.

Niżej podaje się wynik, jako procent linii ostrza przy frezowaniu, w którym otrzymano łuszczenie.The result is given below as a percentage of the milling cutter line in which flaking was obtained.

Łuszczenie, %Flaking, % Linia ostrzaBlade Line 3a. 3a. jednofazowy, teksturowany a-Al2O3 według wynalazku single-phase, textured a-Al2O3 according to the invention 0 0 3b. 3b. a/K-Al2O3 a/K-Al2O3 40 40

Przykład 4a. Wkładki z węglików spiekanych o składzie 6,5% Co, 8,5% węglików regularnych i WC-reszta, pokryto tak jak podano w przykładzie 1a. Otrzymano drobnoziarnistą, gęstą powłokę α-Α^Οβ o grubości 6 gm, teksturowaną w kierunku (012).Example 4a. Cemented carbide inserts with the composition of 6.5% Co, 8.5% cubic carbides and the balance WC were coated as given in Example 1a. A fine-grained, dense α-Α^Οβ coating with a thickness of 6 gm, textured in the (012) direction, was obtained.

Przykład 4b. Podłoże węglikowe z przykładu 4a zostało pokryte, tak jak podano w przykładzie 1b. Powłoka tlenku glinu, która zawierała mieszaninę grubych ziaren α-Α^Οβ i drobnych ziaren K-AbO;; została uzyskana tym sposobem.Example 4b. The carbide substrate of Example 4a was coated as in Example 1b. An alumina coating that contained a mixture of coarse α-Α^Oβ grains and fine K-AbO; grains was obtained by this method.

Powleczone wkładki narzędziowe z przykładów 4a i 4b były wygładzane sposobem strumieniowo-ściemym za pomocą proszku AbOn, numer sita 150, aby wygładzić powierzchnie powłoki.The coated tool inserts of Examples 4a and 4b were shot-blasted using 150 mesh AbOn powder to smooth the coating surfaces.

Następnie badano te wkładki skrawające odnośnie do łuszczenia powierzchni natarcia przy operacji toczenia w nierdzewnej stali austenitycznej, odpowiadającej normom AISI 304L, W-nc. 1 4306. Kształt obrabianego przedmiotu był rurowy, a wkładki przesuwano dwoma skrawaniami po czołowej powierzchni przedmiotu.These cutting inserts were then tested for flaking of the rake face during turning operations in austenitic stainless steel, corresponding to the AISI 304L, W-nc. 1 4306 standard. The workpiece was tubular in shape, and the inserts were moved in two cuts along the workpiece face.

Dane skrawania: prędkość 140 m/min, głębokość skrawania od zero do 3 mm oraz posuw 0,36 na jeden obrót.Cutting data: speed 140 m/min, depth of cut from zero to 3 mm and feed rate 0.36 per revolution.

Niżej podaje się wynik, jako procent obszaru na powierzchni natarcia poddanej łuszczeniu odnośnie do całkowitego obszaru styku między wiórem a powierzchnią natarcia wkładki.The result is given below as a percentage of the area on the rake face subjected to flaking relative to the total contact area between the chip and the rake face of the insert.

Łuszczenie, %Flaking, % powierzchnia natarcia rake surface 4a. 4a. jednofazowy, teksturowany a-Al2O3 według wynalazku single-phase, textured a-Al2O3 according to the invention 25 25 4b. 4b. a/K-Al2O3 a/K-Al2O3 65 65

Przykład 5a. Wkładki z węglików spiekanych o składzie 6,5% Co, 8,5% węglików regularnych i WC - reszta, zostały pokryte powłoką, takjak podano w przykładzie 4a. Otrzymano drobnoziarnistą, gęstą powłokę a-AbOa o grubości 6 gm, teksturowaną w kierunku (012).Example 5a. Cemented carbide inserts with a composition of 6.5% Co, 8.5% cubic carbides and the remainder WC were coated as given in Example 4a. A fine-grained, dense a-AbOa coating of 6 gm thickness, textured in the (012) direction, was obtained.

Przykład 5b. Podłoże węglikowe z przykładu 5a zostało pokryte powłoką, tak jak podano w przykładzie 4b. Otrzymano powłokę tlenku glinu, zawierającą mieszaninę grubych ziaren a-AbO3 i drobnych ziaren K-AI2O3.Example 5b. The carbide substrate from Example 5a was coated as described in Example 4b. An alumina coating was obtained containing a mixture of coarse a-AbO3 grains and fine K-Al2O3 grains.

Powleczone wkładki narzędziowe z przykładów 5a i b były wygładzane sposobem strumieniowo-ściemym za pomocą proszku AbO3, numer sita 150, aby wygładzić powierzchnię powłoki.The coated tool inserts of Examples 5a and b were shot-blasted using 150 mesh AbO3 powder to smooth the coating surface.

174 004174 004

Następnie badano te wkładki skrawające odnośnie do łuszczenia linii ostrza w operacji toczenia w stali kutej na zimno, odpowiadającej normom AISI5015, W-no. 1 7015. Obrabianym przedmiotem było koło zębate, a wkładki przesuwano 16 skrawaniami na powierzchni przedmiotu.These cutting inserts were then tested for edge line flaking in a turning operation in cold forged steel conforming to AISI5015, W-no. 1 7015. The workpiece was a gear wheel, and the inserts were moved through 16 cuts on the workpiece surface.

Dane skrawania: prędkość 180 m/min, głębokość skrawania 1,5 mm oraz posuw 0,25 mm na jeden obrót.Cutting data: speed 180 m/min, depth of cut 1.5 mm and feed 0.25 mm per revolution.

Niżej podaje się wynik, jako procent linii ostrza przy frezowaniu, w którym otrzymano łuszczenie zgodnie z poprzednimi przykładami.The result is given below as a percentage of the milling edge line in which flaking was obtained according to the previous examples.

Łuszczenie, %Flaking, % Linia ostrzaBlade Line 5a. 5a. jednofazowy, teksturowany a-Al2O3 według wynalazku single-phase, textured a-Al2O3 according to the invention 0 0 5b. 5b. a/K-Al2O3 a/K-Al2O3 55 55

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 złPublishing Department of the Polish Patent Office. Circulation: 90 copies. Price: PLN 2.00.

Claims

Patent claims

A method for coating a tool with an oxide layer, preferably alpha alumina, wherein the tool is brought into contact with a hydrogen carrier gas containing one or more aluminum halides and a high temperature hydrolysing and oxidizing agent, characterized in that the hydrogen carrier gas is supplied to a state in which the oxidative potential of the hydrogen carrier gas is less than 20 parts per million, and most preferably less than 5 parts per million of H2O prior to AbO? nucleation, wherein AbO? starts with sequencing the reactant gases in the following order: CO2, CO and AbCb and that the temperature during nucleation is in the order of 1000 ° C.

A tool coated with an oxide layer, the tool being at least partially coated and having one or more refractory coatings of which at least one coating is alumina, characterized in that the alumina layer has a thickness (d) from 0.5 gm to 25 gm and consists of a single-phase α structure with grain size (s): 0.5 gm <s <1 gm for 0.5 gm <d <2.5 gm and 0.5 gm <s <3 gm for 2.5 gm <d <25 gm.

3. A tool according to claim 1 The method of claim 2, wherein the surface roughness (Ra) of the refractory coating is less than 0.3 gm over a measured length of 0.25 mm.

4. Tool according to p. The method of claim 2 or 3, characterized in that the alumina layer has a texture factor greater than 1.3 and preferably greater than 1.5 for the growth direction (012) of the equivalent crystallographic planes, determined by the formula:

TC (012) =

1 (012) I I (hkl) l

Io (012) n Io (hkl) j where: I (hkl) = measured reflectance (hkl);

Io (hkl) = normalized intensity of the diffraction data of a powder normalized to the American Society for Testing and Materials (ASTM) standard;

n = number of reflections used in the calculation, the reflections (hkl) are (012), (104), (110), (113), (024), (116).

5. Tool according to p. The method of claim 2, wherein the alumina layer is the outer layer.

6. Tool according to p. The process of claim 4, wherein the alumina layer is in contact with the TiC _x N _y O _z layer.

Tool according to p. 6. The process of claim 6, wherein the TiC _x N _y O _z layer is the innermost layer of the coating.

8. The tool according to p. 2. The method of claim 2, characterized in that it is a cemented carbide, titanium-based carbonitride cutting tool insert, preferably of ceramic.